Электромеханические и твердотельные реле

1 Общая часть. 

Обзор состояния технического уровня мощных  твердотельных реле

 

1. Анализ областей применения электромеханических и 

твердотельных реле

 

В промышленной автоматике реле встречаются достаточно часто, несмотря на то, что типовым узлом автоматики в настоящее время стали программируемые контроллеры, а эпоха релейной автоматики подошла к концу. Однако реле незаменимы для управления нагрузками, поэтому в интерфейсных платах контроллеров в качестве мощных дискретных ключей применяют и электромагнитные, и полупроводниковые реле. От интерфейсных реле требуется способность коммутации нагрузок на переменном и постоянном токе напряжением от 12 до 220 В при силе тока от единиц миллиампер до десятков ампер. Конструктивно реле должны устанавливаться на печатную плату и занимать на ней как можно меньше места. В одном модуле может быть установлено до 32 реле по 8 штук, согласно байтовой структуре бинарной логики. При подобной постановке задачи необходимо ответственно подойти к выбору конкретного типа реле [1, 11].

Для сравнения  столь разных по принципу действия устройств, как электромеханическое и твердотельное реле, необходимо задаться функциональными и эксплуатационными характеристиками реле. В таблице 1.1 [1] приведены в порядке их важности эксплуатационные параметры реле.

 

Таблица 1.1 –  Основные характеристики реле

Параметр, единица измерения	Технико-экономическая  сущность параметра
1. Наработка  на отказ, количество переключений	Надежность  изделия, безотказность в работе
2.  Удельная  мощность коммутации, Вт/см3	Габаритные  размеры изделия
3. Сопротивление  контакта, Ом	Паразитная  рассеиваемая мощность
4. Мощность управления, Вт	Мощность для  включения реле
5. КПД, %	Потери мощности на реле
6. Цена, руб.	Затраты на изготовление реле

Эти параметры  достоверно отражают качество коммутационного элемента и не зависят от его принципа работы. Анализ приведенных характеристик позволяет в процессе дипломного проектирования твердотельного реле оптимизировать технико-экономические показатели изделия с целью повышения его конкурентной способности относительно электромеханических изделий аналогичного функционального назначения.

Данный сравнительный (качественный) анализ проведен по характеристикам, предложенным в статье [1] и представленным в таблице 1.2 с выводами по  проектируемому изделию.

 

Таблица 1.2 –  Сравнительные характеристики реле

Параметр	Электромагнитное реле	Твердотельное реле	Выводы
1	2	3	4
Наработка на отказ	хуже	лучше	обеспечение достигнутого уровня
Удельная мощность коммутации	лучше	хуже	снижение сопротивления контактов
Сопротивление контакта	лучше	хуже
КПД	лучше	хуже	компенсация КПД  за счет расширения температурного  диапазона
Мощность управления	хуже	лучше	обеспечение достигнутого уровня
Габаритные  размеры	хуже	лучше	обеспечение достигнутого уровня
Необходимость охлаждения	лучше	хуже	снижение теплового сопротивления
Устойчивость  к коротким замыканиям	средняя	средняя	обеспечение конструктивно-технологических запасов
Возможность коммутации переменного и постоянного тока	лучше	хуже	обеспечение конструктивным исполнением
Возможность коммутации малых токов	средняя	средняя	обеспечение конструктивным исполнением

 

Продолжение таблицы 1.2
1	2	3	4
Возможность коммутации емкостной нагрузки	хуже	лучше	обеспечение достигнутого уровня
Возможность коммутации индуктивной нагрузки	средняя	средняя	обеспечение конструктивным исполнением
Чувствительность  к нарастанию тока нагрузки	лучше	хуже	исключение  конструктивным исполнением
Цена	лучше	хуже	снижение конструктивным исполнением
Частота переключения	хуже	лучше	обеспечение достигнутого уровня
Необходимость защиты контактов	средняя	средняя	обеспечение конструктивным исполнением
Механические  шумы	хуже	лучше	обеспечение достигнутого уровня

 

Для обеспечения лучших показателей необходимо снижение выходного  сопротивления твердотельного реле (сопротивление контактов).

Для обеспечения параметров выхода твердотельного реле, обеспечивающих отсутствия искажения коммутируемого сигнала, необходим соответствующий выбор функционального элемента по выходу реле.

Таким образом, данный качественный анализ позволяет приступить к количественному анализу различных конструктивных исполнений твердотельных реле с целью обеспечения требований, приведенных в техническом задании на дипломный проект. 

 

2. Классификация твердотельных реле
1. Классификация ТТР по областям применения

 

В общем случае классификацию  твердотельных реле можно провести по областям их применения, предлагаемых в статьях [16, 17]:

- телекоммуникационные, предназначенные для работы в  факс-модемах, многофункциональных  телефонах, беспроводных телефонах, автоответчиках, в коммутаторах и мультиплексорах телефонных линий, в аппаратуре систем безопасности;

- промышленного контроля  и автоматики, используемые в  качестве выходных реле программируемых контроллеров, драйверов соленоидов, клапанов, контакторов, электродвигателей, обмоток, индикаторов и дисплеев;

- для измерительной  техники, применяемые в сканерах, мультиплексорах, системах сбора  данных, контрольно-измерительном оборудовании.

Подробная классификация  твердотельных реле, предлагаемая фирмой International Rectifier [17] представлена на рисунке 1.1.

 

					Твердотельные реле
Телекоммуникационные				Для промышленного контроля и автоматики					Для измерительной техники
Линейные				Для нагрузки переменного и постоянного тока с напряжением до 100 В					С низким сопротивлением включения
Вызывных  устройств
									Для цепей питания
				Для нагрузки переменного и постоянного тока с напряжением от 100 до 300 В
ПЭВМ									Для коммутации и сигналов
				Для нагрузки переменного и постоянного тока с напряжением выше 300 В
				Для нагрузки постоянного тока

 

Рисунок 1.1 – Классификация  твердотельных реле по назначению

 

Твердотельные реле в телекоммуникационных устройствах предназначены, прежде всего, для замены механических реле в схемах поднятия трубки, импульсного набора номера в телефонных аппаратах, факсах, модемах. Именно механические реле в таких устройствах наиболее подвержены выходу из строя. На рис. 1.2 и 1.3 показаны схемы входного линейного устройства факс-модема с электромеханическим реле и с твердотельным реле, которым это электромеханическое реле заменено.

Рисунок 1.2 – Схема  входного линейного устройства факс-модема с механическим реле

Рисунок 1.3 – Схема  входного линейного устройства факс-модема с твердотельным реле

 

Этот пример ясно показывает, что при переходе на твердотельные  реле не только повысится надежность устройства, но, кроме того, потребуется  меньше компонентов для схемы, а  именно:

- исключается цепь для борьбы  с дребезгом R1C1, поскольку в  твердотельных реле явление дребезга контактов отсутствует;

- нет необходимости в предохранительных  резисторах R2 и R3, благодаря токоограничивающим  свойствам реле.

Это наиболее важное преимущество, так  как в результате перенапряжения, например, при грозовом разряде, предохранительные резисторы в модеме с механическим реле перегорают, что неизбежно потребует ремонта. А при использовании твердотельного реле такой проблемы не возникает.

В числе других преимуществ такой  замены — экономия места на печатной плате и экономия в средствах примерно на 15% (при больших объемах производства).

Низкопрофильные реле предназначены  для работы в картах ПЭВМ.

Реле промышленного контроля и  автоматики предназначены для коммутации наиболее мощной нагрузки (на ток до 4,5 А), имеют низкое сопротивление во включенном состоянии (40 мОм), работают при напряжениях постоянного или переменного тока до 280 В, а при напряжении только постоянного тока — при напряжении до ± 400 В, имеют высокую чувствительность (3 мА), обеспечивают замену ртутных реле.

Твердотельные реле для применения в приборостроении и системах промышленной автоматики — это самая большая группа реле как по количеству, так и по разнообразию конструкции и характеристик, потому что такие реле предназначены для выполнения самых разнообразных задач.

Существует три схемы включения  твердотельных реле: схема А - для  работы в цепях переменного и постоянного тока и схемы B, C - для работы в цепях постоянного тока (рис. 1.4).

Соответственно допустимый ток  нагрузки минимален для схемы  включения А, больше - для схемы включения В и максимален - для схемы включения С. Его величина для конкретной схемы включения указана в технических характеристиках реле.

 

Рисунок 1.4 – Схемы  включения твердотельных реле

 

Реле для измерительной  техники применяются в сканерах, мультиплексорах, системах сбора данных, контрольно-измерительном оборудовании. Они обеспечивают высокую скорость переключения, имеют высокое сопротивление в выключенном состоянии (10¹¹ Ом), высокую чувствительность (2 мА), низкое отклонение значения напряжения включения при изменении температуры (0,2 мкВ).

 

2. Функциональная классификация

 

Функционально оптоэлектронные  реле можно разделить на две принципиально различные группы [18]:

- реле переменного  тока, у которых силовыми элементами  являются симисторы и тиристоры;

- однополярные и двухполярные  реле постоянного тока с силовыми  элементами на IGBT или МОП-транзисторах (двухполярные реле могут работать и в цепях переменного тока).

Принципиальное различие этих групп в том, что реле переменного  тока, в отличие от реле второй группы, имеют частичную управляемость, а именно, выключение силового элемента может произойти только при «нуле» выходного тока, поэтому использование их в цепях постоянного тока весьма затруднительно.

С другой стороны, выключение в «нуле» тока имеет то преимущество, что на индуктивной нагрузке отсутствуют  импульсы перенапряжения при выключении.

 

1. Реле переменного тока

 

 

 Имеются следующие основные типы тиристорных реле:

- однофазные нормально-замкнутые  и нормально-разомкнутые реле (от 1 А до 100 А);

- трехфазные нормально-разомкнутые  реле (от 10 А до 100 А);

- однофазные, двухфазные  и трехфазные реверсивные реле  со встроенной защитой от межфазного замыкания и мгновенного реверса (от 10 А до 40 А);

- двухканальные реле  с раздельными каналами или  с общей точкой на выходе с независимым управлением каналами (от 1 А  выше).

Перечисленные типы реле имеют класс по напряжению от четвертого (пробивное напряжение не ниже 400 В) до двенадцатого (пробивное напряжение не ниже 1200 В) и напряжение  изоляции 1500 В или 4000 В пикового значения (между входом / выходом / радиатором)